s tma ve Kullanma cak uyu Haz rlanmas çin Küresel s nmaya Karfl Çevreci Teknoloji le Donat lm fl Yenilikçi Ürünler Dr. Heinz Bernd Grabenhenrich, Frank prenger, ÖZET Bir çok büyük Avrupa ülkesinde, primer enerjinin büyük bir k sm k fl sezonunda evleri s tmak ve bütün sene boyunca kullanma s cak suyunu s tmak için kullan lmaktad r (genelde toplam primer enerji ihtiyac n n %20-30 u kadar). Hafif ticari uygulamalar da yok say lmamas gereken ikinci bir enerji tüketim alan olarak göze çarpmaktad r. on yirmi senede atmosferde art fl gösteren karbondioksit konsantrasyonunun etkisini araflt ran ciddi araflt rmalar bir yandan ve de son birkaç y ld r devam eden küresel mineral ya pazar ndaki yüksek fiyat süreci di er yandan s tma sektöründeki büyük firmalar n araflt rma merkezlerinde bile yeni stratejiler ortaya ç karm flt r. Bunun bir sonucu olarak, günümüzde termal günefl kolektörlerinin ve k smen s pompas teknolojisinin iyi kalitede ve ço unlukla kabul edilebilir maliyetlerle kullan m mümkün olmufltur. Bu sistemler genellikle yo uflmal kazanlarla birlikte kullan larak maksimum yükler karfl lanmaktad r. Bu sistemlerin yan nda, Kombine s ve Güç sistemleri direkt kullan m için elektrik üretebilmektedir ve de at k s y kullanacak iyi bir uygulama varsa, genel verimleri %90 a kadar tafl yabilmektedir (merkezi sistem verimi %30-50 mertebesinde kalmaktad r). Her ne kadar ticari gelifliminin ilk evrelerinde olsa da Yak t Hücresi Teknolojisi sessiz ve negatif kirlenme yaratmadan s ve güç üreten di er bir geliflimdir. Bu rapor ile bütün geliflmifl ürünlerin yap s ile ilgili ana hatlar verilecektir ve özelliklerinden ve farkl Avrupa s tma pazarlar ndaki geliflim derecelerinden bahsedilecektir. nnovative Products For Heating And Domestic Hot Water With Environmental Friendly Technology Against Global Warming ABTRACT n most of the bigger European countries, an important share of primary energy is used to heat people s houses in the winter period and to generate domestic hot water all year round (in general round about 20-30 % of total primary energy demand.) Light commercial application is a second area of consumption, which should not be neglected. erious investigations upon the effect of increasing carbon dioxide concentrations in the atmosphere over the last twenty years on the one hand and the high price period on the mineral oil global market occurring since a few years on the other hand initiated new strategies even in the research centers of even big heating companies. As a result now many regenerative products as e. g. the thermal solar-collector and partially the Heat Pump Technology are available on a level of good quality and mostly at acceptable prices. They are often combined with condensing boilers to generate peak load. Besides these systems, Combined Heat and Power (CHP) gives the chance to generate electrical power, where it is used directly, which can improve the overall efficiency up to 90 % (central power plant has 30 50 %) in case there is a good customer for the waste heat. Fuel Cell Technology is another development for producing heat and power without noise or negative pollution, but is still in the early phase of commercialization. This lesson will give an overview about the structure of all those advanced products and report on their individual characteristics and the grade of progress in the different European heating markets. 1. Girifl Evsel kullan m için s üretimi alan nda yeni e ilim, ürün gelifltirmedeki birincil amaç, pozitif özellikli ürün gelifltirmenin yan nda enerji bazl çevre ve iklim ile ilgili kayg lar azaltmakt r. Bu amaçla, gaz ve s v yak t için çok verimli yakma sistemlerinin gelifltirilmesi için çal fl lmaktad r. Fakat di er araflt rma ve gelifltirme çal flmalar k smen ya da tamamen yenilenebilir enerji kaynaklar n n uygulanmas n hedef almaktad r. lk durum 2000 y l için Avrupa merkezi s tma sistemi ürünleri pazar n n yap s n gösteren fiekil-1 de aç klanmaktad r. Yirmidört önemli pazarda (A, B, CH, D, DK, E, ET, F, FN, GB, GR, H,, RL, LT, LV, N, NL, P, PL,, LO, TR) yap lan analiz sonuçlar nda görüldü ü gibi pazarda bask n olan ürün 5 milyonun üzerindeki senelik sat fl adedi ile hala standart s üreticileridir. Ek olarak ancak, sat fl aç s ndan bak ld nda yüksek verimli ve rejeneratif s üreticileri de pay sahibidir. Rakamlara bak ld nda öne ç kan cihazlar 700.000 adet ile yo uflmal gaz yak tl duvar tipi kazanlar ve 1.4 milyon metrekare alan ile termal günefl kolektörleridir. Blok üniteli s ve güç üreticileri ve s pompalar gibi daha karmafl k sistemler küçük pay sahibidir, ancak ortalama üstü y ll k art fl oranlar sergilemektedirler. Bu çal flmada evsel kullan m için yüksek verimli veya rejeneratif s ve güç üretiminde uygulanan teknolojilerden bahsedilmekte ve iklime ba l korozif gaz oluflumu ve buna ba l olarak seçilen teknoloji aras ndaki ba da tart fl lmaktad r. 2. Yüksek verimli ve k smen ya da tam rejeneratif s ve güç üretici sistemlerin yap s fiekil 2 de yüksek verimli ve rejeneratif s ve güç üretimi sistemlerinin yap sal iliflkisi bir a aç benzetmesiyle gösterilmektedir. Buna göre, sadece s veya sadece güç üreten cihazlarla ayn anda s ve güç üreten cihazlar aras nda bir ayr m yapmak gerekmektedir. Bu, geleneksel primer enerjiler baz nda veya hala bask n olan s v ve gaz yak t arz ndan tamamen ba ms z olarak yap labilir. Bu flekil evsel enerji üretimini geri planda b rakmayacak biçimde incelenmelidir. Bu da genel elektrik flebekesine elektrik veren sistemlerin, mesela rüzgar türbinlerinin, burada göz önüne al nmad anlam na gelmektedir. 3. Kombine s ve güç üretiminin önemini art rmak Bireysel olarak güç üretimi ve ayn anda üretilen s dan faydalanmak, genel verimi art rmak ve zararl gaz emisyonlar n azaltmak için muhteflem bir f rsatt r. fiekil-3 bu olguyu enerji ak fl diyagram içinde grafiksel olarak anlatmak için gösterilmektedir. fiu andaki görev, 38 birim elektriksel enerji ve 62 birim s üretmektir. ol tarafta, bu ihtiyaç geleneksel yöntemde büyük bir enerji santrali (elektriksel verim %39) ve modern bir kazan ( s l verim %90) ile giderilmektedir. Bu amaçla, toplamda 167 birim enerjiye gereksinim vard r. a tarafta, bu ihtiyaç motorlu bir blok üniteli s ve güç üreten santral taraf ndan giderilmektedir. Bu amaçla, sistem çok daha az kay pla çal fl r ve sadece 112 birim primer enerjiye ihtiyaç duyar. onuç olarak, basit bir karfl laflt rma göstermektedir ki kombine s ve güç üretici sistem geleneksel sistemin ihtiyaç duydu u enerjinin yaln z üçte ikisi ile ayn ifli yapmaktad r. Bu sistemin mant kl bir uygulamas için ön flartlar tabii ki uygun bir tasar m ve üretilen s n n enerji üretimi ile paralel olarak her zaman kullan m olacakt r. 5-1000 kw el kapasite aral nda bulunan böyle bir cihaz n tipik özellikleri afla da verilmifltir: Yak t (Enerji kayna ): Do al gaz veya motorin Elektriksel verim: Yaklafl k %35 Toplam verim: %90 a kadar A rl kl ses düzeyi: 60-70 db (A) pesifik a rl k: 20-50 kg / kw el Zararl gaz emisyonlar : %50 TA hava (Büyük yanma sistemleri için Alman standard ) s tma suyu s cakl klar : 70 90 C Net fiyat: 800-2,000 EURO / kw el
Merkezi sıtma Ürünleri 2000 Avrupa Pazarı Duvara Monteli Gazlı Kazanlar 3.5 M 1 Güneş Panelleri 1.4 M m2 Duvara Monteli Kondens Kazanları 0.7 M Döşeme üstü Gazlı Kazanlar 0.6 M Döşeme üstü Yağ Kazanları 1.1 M CHP istemleri 2000 pp sı Parpaları 23 k Katı Yakıt Kazanları 60 k Şekil-1. 2000 yılında Avrupa'da merkezi ısıtma ürünleri Yüksek Verimli ve Reaktif sıtıcılar f Yüksek Verim Teknolojisi Reaktif Tfeknoloji sı+güç Kısmi Tbplam Yüksek verim CHP-istemleri sı Parpaları Güneş panelleri, kondens hücre yakıt absorbsiyon Fotovoltik teknoloji sistemleri ısı parpaları paneller Şekil-2. Yapısal ilişki ağacı Yenilikçi ve Rejeneratif Enerji Transformasyonu'' CHP ve Konvansiyonel Teknoloji Karşılaştırılması i Primer ener ji Üretim konvansiyonel CHP td<ndloji Primer enerji Kuvvet 38 112 167 η el =%56 s 62 67 kay p 12 kay p Şekil-3. Kombine ısı ve güç üretici (KG) sistemlerin geleneksel ısı/giiç üreticilerle karşılaştırılması
fiekil-4 içten yanmal bir motora sahip blok üniteli s ve güç santralini göstermektedir. Burada, otomobil teknolojisinden al nm fl gaz yak tl bir motor ve aksam, jeneratör, s tma devresi ba lant s, kontrol kutusu vs. görülebilir. Kombine s ve güç üreten sistemlerin yanmal motor ve küçük türbinlerle beraber gelifliminin her geçen gün bir ad m daha ilerlemesine ra men, fiekil 5 te gösterilen yak t hücreleri teknolojik geliflimlerinin henüz bafl ndad rlar. on yüzy lda icat edilen bu teknoloji son birkaç y ld r yeniden ilgi görmeye bafllam flt r ve her geçen gün de iflik firmalarda ve araflt rma enstitülerinde gelifltirilmektedir. Toplu olarak bak ld nda, iflletme s cakl k aral klar na göre s n fland r lan çok say da farkl tip mevcuttur. Polimer membranl düflük s cakl k yak t hücresi temin edilen hidrojenden (yaklafl k 80 C de) su üreterek direkt güç üretimine izin vermektedir. Bunu yaparak, hidrojenin direkt bir enerji kayna olarak haz r bulundu u yerlerde yüksek elektriksel verime ulafl labilir. Günümüz enerji üretimi hala do al gaz ve motorine ba l d r. Dolay s yla, hidrojenin öncelikle yak t iflleyici sistem denen yöntem ile primer enerji kayna ndan ç kart larak kullan l r hale getirilmesi gerekmektedir. fiekil-6 böyle bir yak t hücreli s tma cihaz n n bafll ca bileflenlerini göstermektedir. s üretiminin yan nda üretilen do ru ak m n transformasyonu da gerçeklefltirilmelidir. Ayr ca kullan lmayan hidrojenin tekrar yak lmas ile beraber sistem nispeten karmafl k bir hal almaktad r. Di er yandan, elektro kimyasal çal flma prensibi sayesinde yak t hücresi sessiz ve emisyonsuzdur. Genelde yüksek elektriksel verim elde etme potansiyeli sayesinde, rejeneratif hidrojenin primer enerji kayna olarak kullan lmas uzun vadede evlerde CO2 den uzak s ve güç eldesi hayalini gerçek k labilir. Gerçekte, ise birkaç istisna d fl nda, ço u sistem henüz gelifltirme veya test aflamas ndad r ve bu teknolojinin farkl uygulamalarda kullan m için birkaç senenin geçmesi gerekecek. fiekil-6, 5 kw elektriksel güce sahip bir sistemin bacas dahil bafll ca elemanlar n göstermektedir. At k s n n (örne in 10 kw), motorlu BHKW (blok üniteli s ve güç üretici) cihaz nda oldu u gibi, yüksek bir kullan m oran elde etmek için s ihtiyac gösteren bir uygulamaya verilmesi gerekmektedir. 4. Rejeneratif enerjiden k smen faydalanan sistemler Bu bölümde, kompresyonlu ve absorpsiyonlu s pompalar incelenmektedir. Yak n geçmiflten bu yana bilinen ve gelifltirilen bu teknolojiler sürekli olarak kalite konusunda ilerleme kaydetmifltir ve yüksek enerji tasarrufu sa layan yap lar sayesinde her geçen gün daha fazla önem kazanmaktad r. Buna ba l olarak, 2000 y l nda Avrupa da 50,000 elektrikli s pompas sat lm flt r. İçten Yanmalı Motorlu CHP 1 - * r nr l m* : j Şekil-4. Motorlu bir blok üniteli ısı ve güç üreticinin iç yapısı sı ve Güç Beslemeli Yakıt Hücre istemi Fonksiyonu inatça: alternatif akım hava su gaz n doğru akım egzoz gaz hava t ısıtıra sisteni M j hava Şekil-5. Yakıt hücreli bir ısıtma sisteminin temel yapısı Yakıt Hücre sıtma istemi i* Erototifl 5 kwel : 1! Şekil-6. 5 kw'lik bir yakıt hücresi ünitesinin prototipi
Elektrik Tahrikli sı Pompası m m* t J f 1*1 L\ i e i.i* r: : % Şekil-7. Tuzlu sulu elektrikli bir ısı pompasının görünüşü Gaz sıtmalı Absorbsiyon sı Pompası sı Kaynakları: Hava Paneli ////' ' Yatay Eşanjör l Eli 11 Dikey Eşanjör Şekil-8. Absorpsiyonlu ısı pompası ve olası ısı kaynakları Detaylı Güneş Paneli Devridaim bağlantısı 4- 'akış durumu akış devridaim borusu duyar nipeli eleman m > ; 4 cam kapak borusu absorbsiyon plakası ısı izolasyon ısı akışkan boruları plastik kasa plastik çerçeve dönüş borusu Şekil-9. Asal gazla doldurulmuş yüksek kapasiteli bir güneş kolektörii
( skandinav ülkelerinde ço unlukla egzoz haval s pompalar ). fiekil-7 ve fiekil-8 tipik bir sistem göstermektedir: cak su üretimi ve toprak s eflanjörü entegrasyonu. 1 ve 2 aileli yeni infla edilen evlerde, bu sistemler afla daki özelliklere sahiptir: güneş paneli sıtma isteminin Yapısı Enerji kayna : Elektrik s l güç : 5 / 7 / 9 kw ve üzeri COP : 4.3-4.5 (at k s n n elektrik tüketimine oran na ba l d r) A rl k : 130 kg flletme s cakl : 55 C Net fiyat : 350-550 EURO / kw el Elektrikli s pompalar s tma amaçl elektrik birim fiyatlar n n düflük oldu u zamanlarda ekonomik olarak daha çekici olmaktad r. Do al gaz ile di er bir enerji tasarruf olana da direkt s tmal absorpsiyonlu s pompas d r. Bu durumda, termodinamik bir madde sistemi (örne in amonyak-su) bir çevrim içine al n r. Bu flekilde, primer enerjiye ek olarak, çevredeki (hava, su, toprak) s n n yaklafl k %50 sini absorbe etme olana ortaya ç kar. Böyle sistemlerin tasar m en so uk günde maksimum yükü karfl layacak flekilde yap l r ve s cak su üretimi için küçük bir duvar tipi gaz yak tl yo uflmal kazan entegre edilir. fiekil-8 s pompas kapasitesi yaklafl k 4 kw olan ve maksimum gücü 20 kw olan bir sistemi göstermektedir. Bunun yan nda, rejeneratif s arz n sa layan farkl olas l klar da verilmifltir. Bu tipte s pompalar fluanda pazara girme ve/veya küçük miktarlarda test aflamas ndad r. 5. s ve güç üreten tam rejeneratif sistemler Bu cihazlar daha ileri geliflmeler göstermifltir. Evsel kullan m için s üretimi aç s ndan bak ld nda, esas olarak günefl enerjisi ile ilgili ürünler daha yak ndan incelenmelidir. Foto-voltaik modüllerle güneflten güç üretimi her ne kadar özel bir konu olsa da, termal günefl kolektörlerinin uygulanmas her geçen günle birlikte art fl göstermektedir. 2000 y l nda, Avrupa da toplamda 1.4 milyon metrekarelik günefl kolektörü sat lm flt r. Befl ana pazar flunlard r: Almanya (615,000 m 2 ) Türkiye (500,000 m 2 ) Avusturya (160,000 m 2 ) Yunanistan (130,000 m 2 ) spanya (40,000 m 2 ) Tabi ki co rafyaya ba l olarak de iflik absorber prensipleri geçerlidir. Güney Avrupa da kullan m amaçl s cak su üretiminde düflük maliyetli kolektörler tercih edilirken, Orta ve Kuzey Avrupa da yüksek kaliteli ve yüksek verimli kolektörler yayg n olarak kullanma s cak suyu s t lmas nda ve s tmaya destek amac yla kullan lmaktad r. fiekil-9 en üstün performansa sahip düz bir kolektör göstermektedir. Bu kolektör uzun bir optimizasyon çal flmas sonucunda belli flartlarda (DN 4757 normuna göre) %85 s l verime ulaflm flt r. Bu kolektörle senelik güneş devresi için sirkülasyon pompası... J güneş devresi için ısı değiştirici sıcak su tankı kazan Şekil-lO. Güneş enerjisi destekli tipik bir gaz yakıtlı ısıtma sistemi metrekare bafl na 500 kwh enerji üretilebilmektedir. fiekil-10 da günefl sistemi entegre edilmifl tipik bir gaz yak tl merkezi s tma sistemi gösterilmifltir. Böyle bir kolektörün teknik özellikleri afla da verilmifltir: Absorber yüzey alan : 2.2 m 2 Absorpsiyon oran : %96 ya kadar A rl k: yaklafl k 45 kg Verim: %85 Kapasite (DN 4757): 520 kwh / m 2 y l üzerinde böler devresi için ısı değiştirici / böler devresi için sirkülasyon p ıt/ j -j J sı ve Güç Üretimi için C02 Düşürme Teknolojisi güç ısı kömür yakmalı enerji santralı yağ kazanı kömür yakmalı ısıl enerji üretim santralı gaz kazanı nükleer enerji santralı rüzgar türbini kazanda gaz yoğuşturucu güneş ısısı 6. Evsel s üretimi ve CO 2 emisyonlar Di er unsurlar n yan nda, atmosferin korunmas n konu edinen küresel tart flma (Kyoto protokolü) enerji alan ndaki de ifliklikler yap l rken gelecekte CO 2 emisyonlar n n düflürülmesini hedeflemektedir. Aç k olarak, k talardaki s cakl k da l m ndaki anormallikler ile küresel CO 2 konsantrasyonu aras nda bir iliflki vard r. Her ne kadar iliflkiler tamamen aç klanamasa da önceden önlem almak manas nda bir fleyler yap lmal d r. fiekil-11 s üretimi ve güç üretimi ve/veya kombine s ve güç üretimi için farkl enerji teknolojileri için olas azaltma potansiyellerini göstermektedir. Yak t n içindeki karbon miktar na ve de kullan lan sistemin verimine ba l olarak neredeyse s f r CO 2 emisyonlar na kadar azaltma yapmak mümkün olabilmektedir. Bu yolda, önümüzdeki tüm tüm CHP-sistem birimlerde birimlerde gaz yanması İH2 yanması i > 50% C02- azalma Şekil-ll. Enerji dönüş ünlünde karbondioksit emisyonlarını azaltma potansiyeli
Evsel ıcak su + sıtma istemi için Primer Enerji Kaynağının Değeri - kömür ve odun yağ doğal gaz ; rejöneratif ürün 400 g 250 g 200 g,0-150 g C02/kWh C02/kWh C02/kWh j C02/kWh 4 ---\ v / \ i İ \ :Er o LU ı% % / \ / / % / V A tfiplam enerji tüketimi :\ -- s 4 * N '' * 1900 1950 2000 2050 Şekil-12. 1900-2050 artısındaki karbonsuzlaşnıa döngüleri j on y llarda yüksek verimli gazl yakma sistemleri (yo uflmal kazanlar), do al gazl kombine s ve güç üreten sistemler ve günefl enerjisi sistemleri önemli rol oynayacakt r. Ayr ca yak t hücreli s tma cihazlar, özellikle rejeneratif hidrojen enerji kayna olarak uygulanabilirse, orta vadede iyi bir ilerleme olas l sunmaktad r. 7. onuç Bütün bu çabalar n sonucu olarak CO 2 siz s ve güç üretimi hayal etmek mümkün olacakt r. fiunu da unutmamak gerekir: Bask n bir enerji kayna ndan di erine geçifl kronolojik olarak nesiller boyunca sürecek bir süreçtir. fiekil-12 dereceli olarak yaklafl k 150 y l sürecek bu karbonsuzlaflma sürecini göstermektedir. Geçti imiz yüz y l n bafl nda primer enerji kayna odun ve kömürdü. v yak t ancak yüz y l n ikinci yar s nda kullan l r oldu. Ancak bu sayede sürekli olarak çal flan büyük otomatik s tma sistemlerine geçilebildi. Bu s rada, s v yak t yerini yeni primer enerji kayna do al gaza b rakt. Özellikle kalabal k nüfuslu Avrupa ülkelerinde ( ngiltere, Fransa, Almanya, talya), yeni cihazlar s n f nda gaz yak tl yer ve duvar tipi yo uflmal kazanlar aç kça pazara hakim durumdad r. Kömürden gaza uzanan yolda, CO 2 emisyonlar nda zaten yar ya yar ya bir azalma elde edildi. Az önce bahsedildi i gibi, günefl teknolojisinden ve kombine s ve güç üreticilerinden yararlanarak daha fazla azaltma potansiyeli de mevcuttur. Tabii ki sürekli yap lan maliyet düflürme çal flmalar ile bu cihazlar ekonomik olarak kabul edilebilir seviyelerde tutulmal d r ve bu cihazlar n maliyeti düflük sistemlerin tercih edildi i Avrupa ülkelerinde de kullan lma olas l yarat lmal d r. 8. Referanslar H.B. Grabenhenrich, Le Confort du Futur, ymposium nterclima Paris, 07/02/2002 Yazar; Heinz Bernd Grabenhenrich, Dr.-ng.,1952 de do du, RWTH Aachen den Makine Mühendisli i diplomas ald, 1980-1986 RWTH Aachen Teknik Termodinamik bölümünde akademik görevli olarak çal flt, 1986 da doktoras n LiBr-MeOH absorpsiyon prosesleri ile ilgili teziyle ald, 1988 den bu yana teknolojik enerji ürünleri konusunda farkl dan flmanl k görevleri ald, ngiliz bir firmada dört y l Ar-Ge direktörlü ü yapt, 1997 den bu yana Buderus Heiztechnik GmbH da tratejik Araflt rma departman n n yöneticisi olarak çal flmaktad r. Frank prenger, Dipl. - ng.,bc, 1971 de do du, mesleki e itimini makine mühendisli i dal nda ald, üniversite diplomas n Coventry Üniversitesi nden ( ngiltere) ald ve tedarik mühendisli i dal nda FH (Uygulamal Bilimler Üniversitesi) Braunschweig/ Wolfenbuettel den derecesi vard r, 1997 den bu yana Buderus Heiztechnik GmbH da çal flmaktad r, ürün yöneticili i yapm flt r, flu anda Teknik Halkla liflkiler departman nda çal flmaktad r.